[发明专利]阳极电池材料及其制备方法

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求于2011年8月19日提交的美国临时专利申请第61/525,392号的优先权。上述申请的全部内容通过援引纳入于此。

背景

多孔硅膜和多孔硅粒有许多电化学应用，包括在锂离子电池中作为阳极材料使用。不过，现有的制备多孔硅膜和多孔硅粒的方法有很多局限性，包括效率、质量、电化学功效、大规模生产能力、成本效率。因此，现在需要一种新的制备多孔硅膜和多孔硅粒的方法以解决前面所提到的局限性。

发明内容

在一些实施方式中，本发明提供了制备多孔硅膜的新方法。在一些实施方式中，这种方法通常包括：（1）通过将硅材料暴露在电流密度中来蚀刻硅材料，以在硅基材上形成多孔硅膜；和（2）通过以连续增量的形式逐渐增加电流密度的方法将多孔硅膜从硅基材上分离。在一些实施方式中，所述硅材料的蚀刻可包括使用酸，例如氢氟酸。在一些实施方式中，在分离步骤中逐渐增加的电流密度可包括电流密度以每连续增量约1-2mA/cm²连续增加至少5-10个增量。

在一些实施方式中，本发明公开的方法还可包括将该多孔硅膜与结合材料结合的步骤，所述结合材料例如粘结剂、碳材料、聚合物、金属、添加剂、和它们的组合。在一些实施方式中，所述结合材料可包括聚合物，如聚丙烯腈（PAN）、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚丙烯酸（PAA）、羧甲基纤维素（CMC），和它们的组合。在一些实施方式中，所述结合材料可在与多孔硅膜结合之前、结合期间或结合之后被碳化。

在一些实施方式中，本发明公开的方法还可包括将多孔硅膜分裂以形成多孔硅粒的步骤。因此，本发明公开的附加实施方式涉及制备多孔硅粒（也称为微粒和颗粒）的方法。在一些实施方式中，所述分裂可形成直径约为1-50μm的多孔硅粒。在一些实施方式中，所述分裂可采用物理研磨法（grinding）、碾碎法（crushing）、声波降解法、超声断裂法、粉碎法（pulverization）、超声粉碎法、和这些方法的组合。

本发明公开的其它实施方式涉及阳极材料，该阳极材料衍生自本发明公开的多孔硅膜或多孔硅粒。在一些实施方式中，所述阳极材料可包括具有大量孔的多孔硅膜或多孔硅粒；和与多孔硅膜或多孔硅粒结合的结合材料。在一些实施方式中，所述结合材料可包括至少一种粘结剂、碳材料、聚合物、金属、和它们的组合。在一些实施方式中，所述大量孔可包括直径约为1纳米至5微米的孔，或直径约为500纳米至3微米的孔。在一些实施方式中，本发明公开的阳极材料可用作锂离子电池的组分。

附图说明

图1提供了大孔硅膜（MPSF）的形成图。图1A是MPSF形成的最初阶段图示，电流密度为2mA/cm²并保持1小时。图1C说明了当提高电流密度（如从约1mA/cm²提高至约15mA/cm²）几分钟时，已形成的孔的支化。图1E显示了已形成的大孔层从本体硅分离。图1B、1D和1F是相应过程的扫描电镜（SEM）图像。

图2提供了制备独立MPSF的示意图，将已形成的MPSF与聚丙烯腈（PAN）结合，并通过热解碳化PAN。

图3显示了MPSF表面形态的SEM图像，包括独立的MPSF（图3A）、俯视图（图3B）、后视图（图3C）、经PAN涂覆的MPSF的侧视图（图3D）、热解的经PAN涂覆的MPSF的侧视图（图3E）、和热解的经PAN涂覆的MPSF的后视图（图3F）。图3G提供了结合或未结合热解PAN的MPSF的X射线衍射（XRD）谱图。

图4显示了独立MPSF和热解的经PAN涂覆的MPSF的放电电容与库仑效率随着循环次数的变化比较图。在恒电流充/放电过程中进行分析，并在200μA/cm²下0.07V-1.5V之间进行测试。

图5提供了PAN热解前和550℃下热解后的红外（IR）谱图。同时显示了提出的产品的化学结构。集中的IR区域也显示在热解的右边。集中的IR区域是：（1）CH和CH₂脂族伸缩；（2）-C≡N伸缩；和（3）–C=C和/或–C=N伸缩。

图6显示3个循环后裸露的MPSF表面形态的SEM图像（图6A），3个循环后热解的经PAN涂覆的MPSF表面形态的SEM图像（图6B），和20个循环后热解的经PAN涂覆的MPSF表面形态的SEM图像（图6C）。